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haratkhr技報

SRモータ技術研究所

B-H曲線について

SRモータの検討を始めた時、インターネット上の文献を集めました。

同じようなB-H曲線が多数掲載されていました。

その一例として、 著名な研究者の資料の中に、電流-磁束鎖交数の図に緑色のループと電流波形が掲載されていました。

下図は、その図の形状を模写したものです。

その図をみて、出力はループの面積に比例し、赤色のループにすると出力が大きく出来ると思ました。電流さえ増やせば、簡単に大出力が得られると思いました。

その後、 検討を進めてきて現在は、青色のループとなりました。 

 

この技報では以下の通りとします。

 ・飽和領域を使用するとムダな励磁電流が流れる。

・ギャップ長を広くするとB-H曲線が右へシフトし最大出力が大きくなる。

・ギャップ長を広くするとB-H曲線の上下の幅が狭くなり力率が低くなる。

・非正対時のL値がゼロに近づくとB-H曲線の上下の幅が広くなり力率があがる。(力率の最大値は50%)

・不飽和領域のループの面積は機械出力に比例するが、飽和領域のループの面積は出力に比例しない。

 

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飽和領域を使用した場合の機械出力の一例を示します。

励磁エネルギー量の差を機械出力エネルギー量とすると、飽和領域を使用しても、機械出力エネルギー量は増加しません。

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インダクタンス

インダクタンスの求め方を紹介します。

L=V / dI/dtの関係があります。

波形よりV 、 dI/dtを求め計算しL値を求めます。

チョーク電圧と電流検出抵抗の電圧をCRで微分した電圧を比較することによりインダクタンスの直線性(V ーdI/dt特性)が分かります。

不飽和での測定例(シュミレータ波形)を以下に示します。

 実機では許容範囲内で最大の電流をながし、飽和させます。

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飽和した場合、V ーdI/dt特性は上部、下部で水平方向に曲がります。

B-I曲線 (B-H曲線)

通常、インダクタンスの測定は,以下の回路で商用電源より電流を流し、V Iより計算でLを求め、機械角-インダクタンス図が作成されます。

しかし、この図では鉄心の飽和によるインダクタンスの変化のデータが入っていません。

 

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飽和特性の把握は重要です。

チョークの設計で飽和特性を測定するには、VーI特性の測定に加えてB-I曲線を求めます。

 

不飽和での測定例(シュミレータ波形)を以下に示します。

AC9Vより1mHのチョークに23.9A流し、磁束は電圧をCRによる積分により得ています。

このシュミレータは鉄心の飽和特性が設定できませんので不飽和となっていますが、実機では許容範囲内で最大の電流をながし、飽和させます。

この方法では、ヒステリシスを含んだ正確なB-I曲線がえられます。

積分時定数、電流検出抵抗値は測定誤差が生じないように設定します。

電源波形の歪、周波数の誤差はB-I曲線への影響はありません。

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飽和した場合、B-I曲線は上部、下部で水平方向に曲がります。

ギャップが無い場合は幅を持ったヒステリシスカーブになります。

 機械角を変えて得たB-I曲線を合成すると、B-H曲線になります。

新B-H曲線  3

ギャップ部は新しいB-H曲線ではありませんが、巻線の鉄心部は新しいB-H曲線にです。

ギャップ部は従来と同一の黒色のB-H曲線です。

ギャップ部の磁束は巻線部の磁束と永久磁石の磁束が加算されます。

巻線の鉄心部は-bの逆方向にバイアスされた赤色のB-H曲線です。

磁路断面積が1/2なので、1/2の+bで飽和します。

永久磁石部は+bの緑色の直線です。

左図は1.5Tの逆バイアス、右図は低めの逆バイアスをかけています。

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ハイブリッドSRモータ(特許第3349966号)のB-H曲線を考えました。

1.5Tの逆バイアスの場合、巻線の鉄心部の磁路断面積を約1/2に出来ますが、電流は2倍必要です。

発明の詳細な説明の中にはB-H曲線、逆方向にバイアスとの記載はなく、「投入した電磁石のエネルギーを、永久磁石利用することによって効率良く出力として取り出すことができることになる。」と記載されています。

[図2] 図1に示すハイブリッド型磁石の引き離し力を測定するための図で、(a)は正面図、(b)は側面図である。

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出願より20年が近づいています。(出願日1998.11.11)

 

新B-H曲線  2-2

引き続き、SRGを考えてみました。

o ー>b->a->o のループになります。

ギャップ長が短いo ー>b間で励磁しエネルギーを蓄積します。

ギャップ長が広がるb->a間は励磁巻き線両端を短絡し機械エネルギーを加え励磁エネルギーを蓄積します。

ギャップ長が長いa ー>o間で励磁しエネルギーを回生発電します。

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2相にしてみました。

励磁エネルギーが少なく高効率が期待できる可能性があります。

尚、特許出願は考えていませんが、すでに出願されているかもしれません。

新B-H曲線  2-1

SRモータの基本から離れて、励磁エネルギーの回生が無いB-H曲線 のSRモータを考えてみました。

ギャプ寸法をスコッチ・ヨーク機構で直線的に変化させます。

o ー>a->b->o のループになります。

ギャップ長が長いo ー>a間で励磁しエネルギーを蓄積します。

ギャップ長が縮まるa->b間は励磁巻き線両端を短絡し機械エネルギーをとりだします。

a->b間はSRモータと同様にL値は増加します。

bに於けるギャップ長をゼロにすると、励磁エネルギーの回生はゼロになります。

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新B-H曲線 1

トルク、励磁電流、力率等がどうなるかわかりませんが、B-H曲線を右図の様に曲げる手段はあります。

どんな動作になるか、頭の中で考えています。

特性の改善につながる可能性はゼロでないと思っています。

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このBlogでは、概要紹介が主で詳細を記載していない場合が多いですが、連絡頂ければ検討致します。